承受多荷载工况的大跨度空间结构模型设计与制作

《承受多荷载工况的大跨度空间结构模型设计与制作》

1．命题背景

目前大跨度结构的建造和所采用的技术已成为衡量一个国家建筑水平的重要标志，许多宏伟而富有特色的大跨度建筑已成为当地的象征性标志和著名的人文景观。

本次题目，要求学生针对静载、随机选位荷载及移动荷载等多种荷载工况下的空间结构进行受力分析、模型制作及试验。此三种荷载工况分别对应实际结构设计中的恒荷载、活荷载和变化方向的水平荷载(如风荷载或地震荷载)，并根据模型试验特点进行了一定简化。选题具有重要的现实意义和工程针对性。通过本次比赛，可考察学生的计算机建模能力、多荷载工况组合下的结构优化分析计算能力、复杂空间节点设计安装能力，检验大学生对土木工程结构知识的综合运用能力。

2．赛题概述

竞赛赛题要求参赛队设计并制作一个大跨度空间屋盖结构模型，模型构件允许的布置范围为两个半球面之间的空间，如图 1 所示，内半球体半径为 375mm，外半球体半径

550mm。

(a) 平面图(b)剖面图(c)3d 图

图 1 模型区域示意图(单位：mm)

模型需在指定位置设置加载点，加载示意图如图 2 所示。模型放置于加载台上，先在8个点上施加竖向荷载（加载点位置及编号规则详见4.1及4.3），具体做法是：采用挂钩从加载点上引垂直线，并通过转向滑轮装置将加载线引到加载台两侧，采用在挂盘上放置

砝码的方式施加垂直荷载。在 8 个点中的点 1 处施加变化方向的水平荷载，具体做法是：采用挂钩从加载点上引水平线，通过可调节高度的转向滑轮装置将加载线引至加载台一侧，并在挂盘上放置砝码用于施加水平荷载。施加水平荷载的装置可绕通过点 1 的竖轴旋转，用于施加变化方向的水平荷载。具体加载点位置及方式详见后续模型加载要求。

图 2 加载 3d 示意图

(注：本图的模型仅为参考构型，只要满足题目要求的结构均为可行模型)

3.模型方案及制作要求

3.1. 理论方案要求

(1)理论方案指模型的设计说明书和计算书。计算书要求包含：结构选型、结构建模及计算参数、多工况下的受荷分析、节点构造、模型加工图(含材料表)。文本封面要求注明作品名称、参赛学校、指导老师、参赛学生姓名、学号；正文按设计说明书、方案图和计

算书的顺序编排。电子文件一份（于报到当天以电子邮件形式发至871011082@），并标明参赛院校和作品名称；同时提交纸质计算书一式三份（A4 纸），不能出现参赛队的任何信息，否则理论方案为零分。

(2)理论方案力求简明扼要，要求提交的打印纸质版一式三份及电子版文件于规定时间内交到竞赛组委会，逾期作自动放弃处理。

3.2 模型制作要求

(1)各参赛队要求在 16 个小时内完成模型的制作。应在此规定制作时间内完成所有模型的胶水粘贴工作，将模型组装为整体，此后不能对模型再进行任何操作。后续的安装阶段仅允许采用螺钉将模型固定到底板上。

(2)模型制作过程中，严禁将模型半成品部件置于地面。若因此导致模型损坏，责任自负，并不因此而延长制作时间。

4.加载与测量

4.1 荷载施加方式概述

竞赛模型加载点见图 3，在半径为 150mm 和半径 260mm 的两个圆上共设置 8 个加载点，加载点允许高度范围见加载点剖面图，可在此范围内布置加载点。比赛时将施加三级荷载，第一级荷载在所有 8 个点上施加竖直荷载；第二级荷载在 R=150mm(以下简称内圈)及R=260mm(以下简称外圈)这两圈加载点中各抽签选出 2 个加载点施加竖直荷载；第三级荷载在内圈加载点中抽签选出 1 个加载点施加水平荷载。具体加载方式详见 4.8。

比赛时选用 2mm 粗高强尼龙绳，绑成绳套，固定在加载点上，绳套只能捆绑在节点位置，尼龙绳仅做挂重用，不兼作结构构件。每根尼龙绳长度不超过 150mm，捆绑方式自

定，绳子在正常使用条件下能达到 25kg 拉力。每个加载点处选手需用红笔标识出以加载点为中心，左右各 5mm 、总共 10mm 的加载区域，如图 4 所示，绑绳只能设置在此区域中。加载过程中，绑绳不得滑动出此区域。

图 4 加载点卡槽示意图

4.2 模型安装到承台板

1)安装前先对模型进行称重(包括绳套)，记A M (精度 0.1g)。

2)参赛队将模型安装在承台板上，承台板为 1200mm （长）×1200mm （宽）×15mm （高）的生态木板，中部开设了可通过加载钢绳的孔洞。安装时模型与承台板之间采用自攻螺钉(1g/颗)连接，螺钉总质量记为 B M (单位：g)；整个模型结构(包括螺钉)不得超越规定的内外球面之间范围(内半径 375mm ，外半径 550mm)，若安装时自己破坏了模型结构，不得临时再做修补。安装时间不得超过 15 分钟，每超过 1 分钟总分扣去 2 分，扣分累加。

3)模型总重 1A B +=M

M M (精度 0.1g)。

4.3 抽签环节 本环节选手通过两个随机抽签值确定模型的第三级的水平荷载加载点（对应模型的摆放方向）及第二级的竖向随机加载模式。

(1)抽取第三级加载时水平荷载的加载点

参赛队伍在完成模型制作后，要在内圈 4 个加载点附近用笔(或者贴上便签)按顺时针明确标出 A 、B 、C 、D ，如图 5(a)所示。采用随机程序从 A 至 D 等 4 个英文大写字母中随机抽取一个，所抽到字母即为参赛队伍第三级水平荷载的加载点。此时，将该点旋转对准 x 轴的负方向，再将该加载点重新定义为 1 号点。另外 7 个加载点按照图 5(b)所示规则编号：按照顺时针的顺序，在模型上由内圈到外圈按顺时针标出 2~8 号加载点。例如，若在抽取步骤(1)中抽到 B ，则应该按图 5(c)定义加载点的编号，其他情况以此类推。

(2)抽取第二级竖向荷载的加载点

第二级竖向荷载的加载点是按照图 6 中的 6 种加载模式进行随机抽取的，抽取方式是用随机程序从(a)至(f)等 6 个英文小写字母中随机抽取一个，抽到的字母对应到图 6 中相应的加载方式，图中的带方框的红色的加载点即为第二级施加偏心荷载的加载点。下图中点 1~8 的标号与抽取步骤(1)中确定的加载点标号一一对应。例如，如果在此步骤中抽到(d)，则在 1、2、5、7 号点加载第二级偏心荷载，在 1 号点上加载第三级水平荷载。

图 6 6 种竖向荷载加载模式示意图

(带方框的红色点表示第二级垂直荷载的加载点)

4.4 模型几何尺寸检测

(1)几何外观尺寸检测

模型构件允许存在的空间为两个半球体之间，如图 1 所示。检测时，将已安装模型的